Дифференциальный каскад

Существенное уменьшение дрейфа нуля в усилителе постоянного тока достигается с помощью схемного решения, которое реализуется в дифференциальном усилительном каскаде. В основу его построения положен принцип сбалансированного моста. Известно, что баланс моста (см. рис.2.15) сохраняется как при изменении подводимого к нему напряжения, так и при изменении сопротивления резисторов, если выполняется условие

= . (2.18)

Данное свойство моста уменьшают влияние нестабильности источника питания и изменения параметров элементов схемы на процесс усиления входного сигнала.

На рис.2.16 представлена схема, с помощью которой объясняется принцип работы дифференциального усилительного каскада. Схема состоит из двух частей: мостовой и источника стабильного тока, представленные в виде источника тока I_э. В мостовой части схемы два плеча моста образуются резисторами R и R (аналоги резисторам R и R схемы рис.2.15), а два других транзисторами Т и Т (аналоги резисторам R и R схемы рис.2.15). Выходное напряжение снимается с коллекторов транзисторов, т.е. с диагонали моста. Оно равно нулю при балансе моста, который достигается при работе одинаковых по параметрам транзисторов Т и Т в одинаковых режимах, а также одинаковых сопротивлениях резисторов R и R . Если при повышении температуры в процессе работы этих элементов значения их параметров изменяются одинаково, то условие (2.18) выполняется. Идентичность параметров соответствующих элементов мостовой части схемы обеспечивается технологией изготовления интегральных микросхем, в состав которых входят дифференциальные каскады.

Рис. 2.15. Схема четырехплечего Рис.2.16. Схема дифференциального

моста усилительного каскада

При наличии в составе схемы дифференциального каскада источника стабильного тока I базы транзисторов Т и Т находятся под положительным потенциалом относительно “земли”, и транзисторы работают в режиме класса А.

Особенностями дифференциального усилительного каскада являются:

- использование двухполярного источника постоянного напряжения, для чего каскад имеет три клеммы питания + Е ,- Е и “земля”;

- наличие двух входов для подачи усиливаемых сигналов;

- отсутствие заземления одной из выходных клемм, т.е. нагрузка оторвана от «земли» (в отличие от схемы на рис.2.2).

Представляется важным определить, чем отличаются друг от друга входы дифференциального усилителя. С этой целью проводится сравнение двух вариантов подачи входного сигнала:

а) входной сигнал подается на первый вход каскада (на базу транзистора Т ), а второй вход заземлен;

б) входной сигнал подается на второй вход каскада (на базу транзистора Т ), а первый вход заземлен.

При анализе следует иметь в виду, что в дифференциальном усилителе единая линия нагрузки, поскольку в его схеме отсутствуют конденсаторы.

Рис.2.17. Подача входного сигнала положительной полярности

в дифференциальном каскаде: а - со стороны транзистора Т₁,

б – со стороны транзистора Т₂

Пусть на базу транзистора Т при заземленной базе транзистора Т (вариант «а») подается напряжение входного сигнала положительной полярности, при котором происходит увеличение базового тока транзистора Т относительно этого тока в точке покоя. Ток базы транзистора Т также изменится, но в противоположную сторону, т.е. уменьшится. Это иллюстрируется рис.2.17,а, где пунктиром отмечен контур, по которому протекает ток I , обусловленный подачей входного сигнала. Видно, что ток I протекает в направлении к транзистору Т , но от транзистора Т . Изменение базовых токов транзисторов Т и Т вызывает изменение их коллекторных токов. Как следует из рис.2.18,а, где приведены выходная характеристика и линия нагрузки, ток коллектора транзистора Т увеличивается, а транзистора Т - уменьшается. Изменение этих токов относительно тока точки покоя будет одинаковым, поскольку схемой дифференциального каскада обеспечивается постоянство суммы эмиттерных токов

I + I = I = const .

Выходное напряжение дифференциального каскада, снимаемое с коллекторов транзисторов Т и Т , можно представить как

U = U - U = (Е - I R ) – (Е - I R ). (2.19)

С учетом того, что сопротивления резисторов R и R одинаковы, а

I = I - ∆ I и I = I +∆ I , где ∆ I - изменение коллекторных токов транзисторов относительно тока в точке покоя, следует

U = 2 R ∆ I .

Выходное напряжение имеет положительную полярность.

Рис.2.18. Положение рабочих точек транзисторов Т₁ (1) и Т₂ (2)

на выходной характеристике при подаче входного сигнала

положительной полярности: а - со стороны транзистора Т₁,

б – со стороны транзистора Т₂

При подаче на базу транзистора Т входного сигнала отрицательной полярности, направление тока I изменится на противоположное относительно того, что показано на рис.2.17,а. В результате величина базового тока транзистора Т уменьшится, а транзистора Т - увеличится. Соответствующим образом изменятся величины коллекторных токов, и выходное напряжение будет отрицательным

U = -2 R ∆ I .

Таким образом, при подаче сигнала на базу транзистора Т и заземленной базе транзистора Т (вариант «а») усиление в дифференциальном каскаде происходит без изменения полярности сигнала, т.е. его инверсия отсутствует.

Случай подачи входного сигнала положительной полярности на базу транзистора Т и заземленной базе транзистора Т (способ “б” подачи входного сигнала) иллюстрируется рис.2.17,б и 2.18,б. Анализ, аналогичный проведенному выше, позволяет заключить, что в этом случае выходное напряжение дифференциального каскада

U = -2 R ∆ I .

При подаче входного сигнала отрицательной полярности

U = 2 R ∆ I .

Следовательно, при усилении происходит изменение полярности сигнала, т.е. его инверсия.

В связи с различным характером усиления один вход дифференциального усилительного каскада является неинвертирующим, а второй – инвертирующим. При подаче входного сигнала на инвертирующий вход усиление сопровождается инверсией полярности. Иными словами, выходной сигнал по фазе сдвинут относительно входного сигнала на 180⁰. При подаче входного сигнала на неинвертирующий вход при усилении инверсия полярности отсутствует, выходной и входной сигналы синфазны.